气体压强模拟演示数显装置的设计与制作

谢春君

问题的提出

容器内气体的压强是容器壁单位面积上所受的压力。气体分子不断与器壁发生碰撞，且运动速率不同，碰撞情况也不同。学生对这些微观分子的运动没有任何感性认识，很难理解气体压强的产生。考虑到这一点，教材上在讲解气体压强时，先给出一个模拟实验，如图1。把磅秤的托盘翻过来放置，将豆子连续倒在托盘上，豆子与托盘撞击后被反弹开去，但由于许多豆子不断地撞击托盘，托盘就受到一个持续的压力，此时磅秤上就会显示出这一压力。教材随后告诉大家：气体压强的大小与每个分子的质量、运动速度大小和单位面积上撞击的分子数等因素有关，但并没有给出进一步的说明与演示。

我在教学实践过程中发现，这个实验的演示效果有几个缺点：①手动倒豆子流量不好控制；②豆子散落后不易收集，不利于重复实验；③磅秤指针显示受力的时间很短，不便于学生观察。

装置设计

从2012年开始，学校配备了DIS实验系统，我便开始尝试用DIS实验系统演示气体压强模拟演不实验。

初步装置设计与制作

◇传感器的使用。为了解决磅秤豆子实验的第3点不足，我想到用力传感器代替磅秤。因为力传感器可通过数据采集器在电脑屏幕上显示力随时间变化的规律，即使实验过程结束，图像仍保留在屏幕上，解决了便于学生观察的问题。

◇开关漏斗的设计。为了改进实验演示的效果，把豆子换成小钢珠。为了解决自动释放的问题，我设计制作了一个带开关的漏斗，开关上有不同直径的孔用以控制钢珠的流速。……